48V汽车混合动力系统技术解密

飞来科技  发布时间:2019-08-09 01:04:41

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在车型严政下,48V微混系统作为比较现实可行的一种节能排放方法,在近两年备受车企及厂商的推崇。几大供应商更是先后给出了详细的量产时间表,而伴随量产计划的逐渐实施,48V系统大潮或将降临。那么,48V能否作为车企解决扭矩问题的优选?其之于纯电动车辆,是过渡还是挑战?有哪些关键技术关系到该方案的提升?基于此,8848汽车论坛搜集整理相关著作,整理此文,供业界学习与参考!

48V微混系统,趋势以来

一、舍弗勒展示48伏电气系统/高压混动系统 加快电气化

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舍弗勒集团近日发布声明称,为了应对日趋严格的污染法规并满足世界移动交通的需求,其将推动动力传动功能电气化进程。

北美车展期间,舍弗勒代理CEO兼首席技术官彼得·古兹曼(Peter Gutzmer)表示,到2020年,20%的车辆将实现电气化。如果2030年全球轿车产能超过1.2亿辆,那么电动车将超过1,000万辆,占比约9%。

为此,舍弗勒提供了一系列解决方案,将混动系统、电驱动桥、轮胎驱动等品牌整合到混动车或纯电动车中,包含48伏电气系统和高压混动系统。

动力传动系统电气化解决方案

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舍弗勒去年开发了一种新型P2(并联,双离合)高压混合动力系统,该系统安装在发动机和变速箱之间,并可以使发动机扭矩达到800牛·米。目前新一代P2混合动力系统可用来中度混动车以及插电式混动车。

舍弗勒P2混合动力系统以一种创新的方法来分配发动机扭矩:转速传递的途径取决于其方向,转速经由300牛·米的分离式离合器传递至曲柄轴,而发动机牵引扭矩则经由单向离合器传递至变速箱。由于离合器设计较为紧凑,但是在高转速条件下,其在空间利用和利润方面一直具备显著劣势。

据悉,舍弗勒新型P2混合动力系统由一个自动分离式离合器和一台电动机组成。分离式离合器通过数控中央离合器释放功能来完成工作,滚珠丝杠传动可以直接推动离合器运行,而无需液压传动介入,所以也不需要在混合动力系统内部安装额外的致动器。

而使用单向离合器也具备其他好处。尽管加速往往会涵盖到发动机、分离式离合器、电动机、和变速箱等一系列复杂的设备,但是舍弗勒则保证了离合器和内燃机之间的接合恰到好处。一旦发动机和电动机转速同步,单向离合器便可以与内燃机瞬间机械联结,因而可以更快地对其进行调节。

驾驶员踩下手刹踏板后,便可体会到内燃机的动态连接性能,在某些程度上,也提高了舒适性。当电动机充当发电机来储存热能时,单向离合器便不再传递扭矩,此时发动机也不会协同离合器工作。

当汽车在低速状态下驶入以及离合器在1500转/分钟转速下微滑时,通过提升减震器能够主动减振,在实现舒适性的同时也提高了空间利用率。

舍弗勒表示,其新一代P2高压混合动力系统将于2017年首次在中国量产,其电压高达80千瓦,可用来插电式混动车。不过后期该系统并不带单向离合器,而其使用的电动机效率则大幅提高至96%。

混动车/纯电动车技术革新

电驱动桥:舍弗勒电驱动桥同时为混动车和纯电动车提供了一套完整的解决方案。舍弗勒以顾客的需求和不同喜好为基础,按照汽车的特点开发了模块化部件,其中结构最简单的方案是采用同轴或交叉轴设计单速比电驱动桥。

由于差速器采用了行星齿轮设计(由单级或双级行星齿轮组组成),所以传动系统结构十分紧凑。另外,其提供了较多的空间用来安装永磁同步电机(PSM)或异步电机(ASM),电池配备或不搭载电力电子装置均可。

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对于插电式混动车而言,其在纯电动模式下续航里程约20至50公里,时速可超过120公里/小时。当在需要长途驾驶或者要求更高车速时,内燃机才会便会参与工作。

轮毂驱动:舍弗勒从2007年开始开发新车驱动技术,该技术当前早已运用于福特嘉年华,主要供测试使用。

舍弗勒称,对于电动车而言,车身驱动技术才是最佳解决方案。其E-Wheel Drive轮毂驱动系统集成了电池、电力电子装置、控制器、刹车和冷却系统,因而完成驱动、减速等操作及保证驾驶安全。

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如果,相比中央驱动形式,车身驱动的前后质量分配和空间利用更合理,这也在确保汽车外观的同时提高了操控性。

48伏电气系统

但是目前市面上大部分混动车的工作电流低于300伏,但是舍弗勒依然坚持开发48伏车载电气系统,以销售能够在低速条件下驶入的电动车。

去年舍弗勒已经同大陆集团以及福特汽车合作,共同展示了汽油技术定义车(GTC)。这款概念车通过集成微混技术使福克斯汽车(采用1.0升EcoBoost涡轮增压三缸汽油发动机)的车型及二氧化碳减排量进一步提高了17%。

舍弗勒目前还开发出了传动辅助设备(TDA)。从实质上讲,TDA是一款并联式混动系统,该功能由传动系统和48伏MGU之间的可选功率流组成。其取消了传统带式驱动,转而被打通至动力模块,完成能量回收操作,并增加了二氧化碳减排。

舍弗勒还基于奥迪TT开发了一款概念车,并进行了较多实验,该车配备了48伏ISG(起动发电一体机)、12千瓦电机及锂电池等。

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当发动机转速较低时,通过曲轴的电子助力系统保证在没有涡轮迟滞的现象下保持足够的转速,并完成能量回收,用来为远光、收音机或坐垫调节等机电元件供电。

随着48伏电气系统的推出,车辆的工作效率也将明显提高。舍弗勒还能够还能优化底盘技术,提升汽车结构,例如取代目前采用的轴承控制防倾杆,转而使用电气主动侧倾控制系统来提高汽油经济性及提高碳减排。

二、大陆集团推出“48伏环保驾乘”功能

为进一步提高油耗、提高污染,国际汽车供应商大陆集团致力于填补价格合理的12伏启停系统与廉价的高压混合动力(≧110伏)解决方案之间的空白。对此,大陆集团研发并推出了“48伏环保驾乘”功能。这项新的混合动力技术能轻松整合进采用传统驱动模块的车辆架构,同样又提供迄今只有高压混合动力模块才能实现的系统——例如在驾车(“停泊”[sailing] 和“滑翔”[coasting])期间关闭发动机,非常快速、稳定地启动内燃机及实现高效的刹车能回收。大陆集团的这项新技术将于2016年投入量产,顾客是多家欧洲汽车制造商。

德国VOX电视台于11月16日下午5时在其“auto mobil”栏目上演示了该功能的省油潜力。VOX的节目组人员在真实条件下(主要在小城环境中)对大陆集团的演示车进行了检测,这是一辆标准的紧凑型汽车,采用配置了“48伏环保驾乘”功能的1.2升汽油内燃机。测试结果显示,与采用12伏启停功能的标准车相比,演示车的省油率可达21%。

来自紧凑型车和中型车的预估需求十分高

大陆集团动力总成事业部业务拓展及战略负责人Christopher Breitsameter表示,“卡车制造商需要低价位的‘清洁动力’解决方案,即每克CO2排放减排的费用在两位数欧元范围内,我们的‘48伏环保驾乘’功能正好能满足这个需求。”

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Breitsameter又补充说:“我们觉得对该功能的最大需求量将会来自数量庞大的紧凑型车和中型车市场,而欧洲也将在引入48V技术上走在前列。” 据业内人士肯定,到2025年,约20%的世界新车将拥有电气化的驱动模块,其中约半数将配备48伏混合动力模块。

发动机近三分之一时间将处于关闭状态

在大陆集团的“环保驾乘”功能中,48伏车载电器(用来补充12伏电源)由三个部件组成:带有内置逆变器的电动机(以代替发电机)、48伏锂电池和用来在两个车载电器之间交换能量的电源变换器(直流/直流变换器)。“48伏环保驾乘”功能的能量回收效率显著高于12伏系统。回收的能量存储在迅猛的锂电池中,但是有更多动力可供节油模式使用,其中包含将启停系统下降为驾乘模式,这意味着内燃机在近三分之一时间将处于关闭状态。48伏电源为12伏车载电器提供支持,并保证一切电动系统的正常工作。相比之下,传统12伏启停系统经常需要重启发动机来操作能量密集型部件(如冰箱单元)如果在车辆静止时不关掉发动机。

“滑翔”、“停泊”、“电动助力”和内燃机重启期间的极高舒适度

“48伏环保驾乘”功能可在驾驶员的脚返回油门时马上关掉发动机。这会使动力总成系统与内燃机“摆脱”,让车子靠惯性行驶。在普通出行期间,功能在20-25%的时间内处于“滑翔”状况,仅此一项即可节省多达8%燃油。另外,“环保驾乘”功能还有两项可让皮带式起动发电机充当发动机的系统。在“停泊”模式(就像在“滑翔”模式下一样,发动机亦处于关闭状态)下,电动机使车辆速度在短时间内维持恒定。借助 “电动助力”[e-boosting] 功能,电动机还可在加快时为内燃机提供支持。

三、奥迪推出全新48伏混动功能 配备A6 TDI等整车

事实上,早在2014年,奥迪通过两款概念车展示了全新的48伏电气(混动)功能。未来该功能将用来更多奥迪新车,从提高汽车的动力输出和柴油效率,促进车辆新技术融合应用。

和部份巨头类似,奥迪用48伏电气系统代替了原本微混系统中的12伏电气系统,。最新搭载48伏电气系统的汽车为奥迪A6 TDI概念车和RS 5 TDI概念车。这三者是奥迪公司专门的技术示范车,均搭载了能源驱动的增压机。

奥迪A6 TDI和RS 5 TDI的能源增压机运转可以不受发动机推力的影响,希望从根本上提高汽车的加速性能。此外,新48伏电气系统还可以用来汽车的车型控制系统,特别适于为汽车舒适性功能进行供电。虽然奥迪目前仍未公布搭载该48伏电气系统的量产新车资料,但预计很快将揭晓。

奥迪高管认为,当前的车辆机电技术早已发展到了12伏电气系统的使用极限。由电动机产生的能量输出需要应对这些不同工况的静态负载,特别是在高温状况下,电动机的能量需求可以超过3千瓦。高性能电力增压机产生了全新不同工况动态负载,而当前的12伏电气系统所采用的电量能源将不再能够满足需求。

为解决以下问题,方案之一在于增配48伏电气系统。更高的电源驱动就意味着系统中电线截面积可以更小,因而轻化电缆线束并进一步提高电压消耗。

这次推出的48伏电气系统采用了全新的电量储能技术,与传统的12伏铅酸电池电气系统相比,能量容量更高。

在当前48伏电气系统开发程度最为成熟的技术设计方案中,汽车将采用一套紧凑型锂离子电池作为无发动机机械增压情况下电动增压的能量来源。此外,汽车还将为12伏电气系统搭载一个直流/直流(DC/DC)的熔断器进行高低压转换。

锂离子电池将与一台交流电动机协同工作,其全新效率经过优化设计,可成为轻度混合动力模块,可以按照需要实现对进气道启动、控制还有熄火的多种控制方法。

奥迪新48伏电气系统可以实现10千瓦的能量回收功率,与当前电气系统的能量回收功率相比,远远高于后者。新功能可以提高10克的二氧化碳减排,每100千米可以节约0.4升的燃油消耗。

奥迪公司还成功研发出一种可以拓展的平台化概念设计,其中就包含以下电动增压机电气系统,因而变成电气化战略的重要组成。

四、捷豹路虎48V混动—判断电增压技术发展

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先从48v弱混系统开始说,做一个简单的介绍,群里学者也很了解。后面会从奥迪使用的这套电增压和弱混系统直到说,介绍一些实例和详细应用状况。最终的动机是从整个动力总成的视角来看,它还能形成什么样的效果。电增压这套功能是很复杂的。主要是因为电增压零件品牌很小,深度的参与到电力系统和内燃机的进排气以及燃烧系统的工作当中,不像传统的P0、 P2混动,电池相当于提供扭矩的支持或回收能量,没有更多的参与到内燃机外部的运转当中。想要完全把电增压系统潜能压榨出来,有很多工作要做。,捷豹路虎 唐华寅 48V 混动 电增压 电动车辆48V系统还是是在欧洲还是中国市场都遭到比较大的关注,从欧洲这个视角来看,之所以比较受认同,主要是因为48V的通用性和利润。按照各国法规来看,对碳减排的要求逐渐规范,对于主机厂来说,需要一套系统逐渐满足每一个阶段的污染和扭矩要求也是技术路线图。

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说到48V,离不开并联混动整体的架构,48V一般是在p0位置最为常见,从主机厂考虑,用传统的动力总成系统,利润是最低的,沿袭以前的总体架构,内燃机也可使用原有的,其实需要经过油耗和碳减排优化。

如果通用性是欧洲主机厂最看重的,可以延续到欧6等污染法规。逐步在动力总成系统上提高其复杂度和其所包括的系统。

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